Ограничители на тока на дефект и техните видове

Въведение в ограничителя на дефектния ток

На последно време, с нарастващата нужда от енергия, робустното развитие на производството и предаването на електроенергия е станало от основна важност и е станало фундаментална необходимост. Обачно, във всяка система за производство на електроенергия, кратките съединения представляват едни от най-постоянните и трудни проблеми, а техният ефект се усилива с разширяването на мащаба на производството. Проблемите, причинени от кратки или дефектни токове, са многограни:

• Термичен стрес върху оборудването: Непоносими термични стресове се излагат върху електрическото оборудване, което може да доведе до преждевременно износване, повреда и дори отказ на компонентите.

• Електродинамично въздействие: Множество електродинамични сили в цепта разрушават нормалната работа на инструментите, влияйки на тяхната точност и надеждност.

• Технологични и икономически ограничения: За да се защити цептата от повреди, са необходими поефективни автоматични прекъсвачи. Това не само представя технологични пречки, но и налага значителни икономически ограничения.

• Безопасностни рискове: Безопасността е сред най-наложителните проблеми, тъй като кратките съединения представляват пряка заплаха за живота на персонала и целостта на електрическата инфраструктура.

• Компликации от преходни напрежения: Кратките съединения усилват проблема с преходните напрежения при операции с ключове, правейки ги по-критични и трудни за управление.

При тези предизвикателства, развитието на по-напредъшви и точни системи за справяне с кратките съединения е станало насещаваща необходимост. Тази статия ще разгледа няколко подхода, които са били предложени и реализирани, за да се намали влиянието на дефектните токове.

Подходи

Следните методи са или активно изследвани, или вече са в практически употреба, в зависимост от техните специфични характеристики и приложения:

• Ограничаващ реактор (CLR): Широко признат за своята ефективност в ограничаването на дефектните токове.

• Твърдотелен ограничител на тока: Една възходяща технология, която показва голям потенциал, но все още е в ранните етапи на изследвания и развитие.

• Суперпроводящи ограничители на тока: Тези устройства използват уникалните свойства на суперпроводниците, за да ограничат тока, и както твърдотелните ограничители, са в началните етапи на развитие.

• Прекъсвачи: Традиционен, но надежден метод за защита на цептата чрез прекъсване на тока, когато той надхвърли определен праг.

• Разделение на шиновете в подстанциите: Практичен подход, който помага да се намалят дефектните токове, чрез промяна на електрическата конфигурация на подстанцията.

• Използване на трансформатори с висока импеданс: Тези трансформатори могат да се използват, за да се увеличи импедансата в цептата, следователно ограничавайки големината на дефектните токове.

• Използване на ядрени реактори за ограничаване на тока: Въпреки, че е нетрадиционен подход, изследванията са разгледали потенциала на ядрените реактори, за да допринесат за механизми за ограничаване на тока.

Сред тези техники, използването на твърдотелни и суперпроводящи устройства все още е в фаза на развитие. При изпълнението на всяка система, за да се справи с проблемите от кратки съединения, две ключови разглеждания трябва да бъдат взети предвид:

Стратегии за намаляване на дефектните токове в подстанциите и дистрибутивните мрежи

Разположение и количество на ограничителните реактори

Две ключови въпроси в областта на електротехниката се отнасят до оптималното разположение на ограничителните реактори в подстанциите и дистрибутивната мрежа, както и до определянето на идеалното количество от тези реактори, необходимо за ефективно управление на дефектните токове. Тези решения изискват комплексно разбиране на характеристиките на електрическата система, изискванията за натоварване и потенциалните сценарии на дефект.

Ограничаващ реактор (CLR)

Ограничаващият реактор се отличава като едно от най-ефективните и практични решения за управление на дефектните токове. Неговото влияние върху надеждността на подстанциите е минимално, което го прави благоприятен вариант за много електрически системи. Обачно, той има определени недостатъци. Физическата хардуерна част на CLR обикновено е голяма, заемащ значително пространство в подстанцията. Освен това, присъствието на CLR може да доведе до намаляване на стабилността на напрежението, което трябва внимателно да се наблюдава и управлява.

Твърдотелен ограничител на дефектния ток

Твърдотелните ограничители на дефектния ток в момента са в фазата на изследвания и развитие. Те предлагат преимуществото да се интегрират относително лесно в дистрибутивните системи. Обачно, високата им цена е основен демпфер, който попречава на широкото им приложение на масивна мащаб. Изследователите активно работят, за да намалят цените и да подобрят производителността, за да ги направят по-жизнеспособни за комерсиална употреба.

Прекъсвач

Прекъсвачите служат като високо ефективни и ефикасни устройства за прекъсване на тока, което ги прави подходящи за използване като ограничители на тока. Те са евтини и лесни за монтаж. Обачно, ефективността им е ограничена от техния номинален капацитет. Например, типичните прекъсвачи може да са проектирани да обработват максимум 40 kV и 200 A ток, ограничавайки тяхното приложение в сценарии с високо напрежение и висок ток. Прекъсвачите с висока капацитет за прекъсване (HRC) предлагат подобрена производителност, но все още имат свои ограничения.

Ограничител на дефектния ток на шината

Автоматични прекъсвачи за свързване на шините могат да бъдат използвани като ограничители на дефектния ток на шината, но те обикновено се считат за временна или спешна реакция. Те не са предназначени да бъдат постоянен елемент в подстанцията поради своите операционни характеристики и ограничения.

Използване на нейтрален реактор

Нейтралните реактори представляват друг жизнеспособен вариант за намаляване на дефектните токове, особено при справяне с токове на земята. Их дизайн и функциониране ги правят особено ефективни в конкретни сценарии, свързани с електрически проблеми, свързани с земята.

Типове и характеристики на ограничителните реактори

Ограничаващият реактор е широко приложен решение и може да бъде категоризиран в два основни типа:

Сух тип CLR

Сухите CLR са реактори с въздушна ядро, с медни оплетки. Използването на железно ядро се избягва поради рискът от насищане, което може да компрометира производителността на реактора. Тези реактори са подходящи за различни приложения, където околните условия са относително чисти и сухи.

Маслен тип CLR

Маслените CLR споделят много сходства с техните сухи аналоги по отношение на основната функционалност. Обачно, ключовият им различителен елемент се отнася до обхвата на приложението. Маслените CLR са специално проектирани за използване в силно замърсени среди. Маслото, използвано в тези реактори, има по-висок диелектричен констант в сравнение с въздуха в сухите реактори, предоставяйки подобрена изолация и защита в сурови условия.

Общи спецификации на реакторите за ограничаване на дефектния ток

Честота и напрежение: Тези реактори са проектирани да работят в относително тясна рамка от честоти и напрежения. Их производителността е оптимизирана за конкретни параметри на електрическата система.

Флексибилност на монтажа: В зависимост от изискванията за приложение, те могат да бъдат инсталирани или вътрешно, или външно. Тази флексибилност позволява по-голяма адаптивност в различни конфигурации на подстанции и дистрибутивни мрежи.

Капацитет за краткосрочни токове: Те са проектирани да обработват краткосрочните токове на електрическите системи, в които са интегрирани, предоставяйки ефективни възможности за ограничаване на тока при дефектни състояния.

Преходна стабилност и реактори за ограничаване на тока

Преходната стабилност играе ключова роля в електрическите системи с алтернативен ток (AC). Тя се отнася до способността на множество синхронни машини в електрическа система да останат в синхронизация след възникването на дефект. Например, в електрическа мрежа с множество свързани синхронни двигатели, преходната стабилност определя дали тези двигатели могат да продължат да работят в хармония след внезапно електрическо нарушение, такова като кратко съединение. Реакторите за ограничаване на тока могат значително да влияят на преходната стабилност, като намаляват големината на дефектните токове, следователно минимизирайки механичните и електрическите стресове върху синхронните машини и увеличавайки вероятността системата да запази стабилността си по време и след дефектно събитие.

Реактори за ограничаване на тока, базирани на суперпроводници

Суперпроводящите ограничители на дефектния ток (SFCLs) предлагат високо практическо решение за подобряване на преходната стабилност на електрическите системи, ефективно балансирайки както техническите, така и икономическите разглеждания. Уникалното свойство на суперпроводниците, които показват изключително висока нелинейна съпротивителност, ги прави идеални кандидати за използване като ограничители на дефектния ток (FCLs).

Едно от ключовите предимства на SFCLs се състои в способността на суперпроводниците да бързо увеличат съпротивителността си и безпроблемно да преминат от суперпроводящо състояние, където електрическата съпротивителност е съществено нулева, до нормално проводящо състояние. Този бърз промяната в съпротивителността позволява на SFCL да реагира бързо на дефектните токове, ограничавайки тяхната големина и следователно защитавайки целостта на електрическата система.

За по-добро разбиране на функционалността на SFCLs, разгледайте следния пример с двигател, свързан в електрическа система, и стратегическото разположение на ограничител на дефектния ток.

Оптимизация на роя от частици

Оптимизацията на роя от частици (PSO) показва значителни паралели с еволюционните методи на изчисления, като генетичните алгоритми (GA). От началото, PSO инициализира популация от случайни кандидатски решения в пространството за търсене. Тези решения, често концептуализирани като "частици", после навигират през пространството за търсене, итеративно актуализирайки своите позиции и скорости. Чрез този динамичен процес на саморегулиране и взаимодействие със съседните частици, системата систематично изследва пространството за решения, постепенно сходимо към оптимални или почти оптимални решения.